- •ПРЕДИСЛОВИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •РАЗДЕЛ I
- •ЖИЗНЬ КАК ОСОБОЕ ПРИРОДНОЕ ЯВЛЕНИЕ
- •ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИЗНИ
- •1.1. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ БИОЛОГИИ
- •1.2. СТРАТЕГИЯ ЖИЗНИ. ПРИСПОСОБЛЕНИЕ, ПРОГРЕСС, ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ
- •И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
- •1.3. СВОЙСТВА ЖИЗНИ
- •1.4. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЖИЗНИ
- •1.6. ВОЗНИКНОВЕНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ
- •1.9. ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ У ЛЮДЕЙ. БИОСОЦИАЛЬНАЯ ПРИРОДА ЧЕЛОВЕКА
- •РАЗДЕЛ II
- •КЛЕТОЧНЫЙ И МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ — ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ
- •КЛЕТКА — ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЕДИНИЦА ЖИВОГО
- •2.1. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ
- •2.2. ТИПЫ КЛЕТОЧНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
- •2.3. СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭУКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ
- •2.3.2. Строение типичной клетки многоклеточного организма
- •2.3.3. Поток информации
- •2.3.4. Внутриклеточный поток энергии
- •2.3.5. Внутриклеточный поток веществ
- •2.3.6. Другие внутриклеточные механизмы общего значения
- •2.3.7. Клетка как целостная структура. Коллоидная система протоплазмы
- •2.4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ КЛЕТКИ ВО ВРЕМЕНИ
- •2.4.1. Жизненный цикл клетки
- •2.4.2. Изменения клетки в митотическом цикле
- •3.1. НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ — ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОГО
- •3.2. ИСТОРИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ ОБ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИАЛЬНОГО СУБСТРАТА НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ
- •3.3. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА И УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА
- •3.4. ГЕННЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА
- •3.4.1. Химическая организация гена
- •3.4.1.1. Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона и Ф. Крика
- •3.4.2 Свойства ДНК как вещества наследственности
- •3.4.2.1. Самовоспроизведение наследственного материала. Репликация ДНК
- •3.4.2.2. Механизмы сохранения нуклеогидной последовательности ДНК. Химическая стабильность. Репликация. Репарация
- •3.4.2.5. Функциональная классификация генных мутаций
- •3.4.3. Использование генетической информации
- •3.4.3.1. Роль РНК в реализации наследственной информации
- •3.4.3.3. Ген — функциональная единица наследственного материала. Взаимосвязь между геном и признаком
- •3.4.4. Функциональная характеристика гена
- •3.4.5. Биологическое значение генного уровня организации наследственного материала
- •3.5. ХРОМОСОМНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
- •3.5.1. Некоторые положения хромосомной теории наследственности
- •3.5.2.1. Химический состав хромосом
- •3.5.2.2. Структурная организация хроматина
- •3.5.2.3. Морфология хромосом
- •3.5.3. Проявление основных свойств материала наследственности и изменчивости на хромосомном уровне его организации
- •3.5.3.3. Изменения структурной организации хромосом. Хромосомные мутации
- •3.5.4. Значение хромосомной организации в функционировании
- •3.5.5. Биологическое значение хромосомного уровня организации наследственного материала
- •3.6. ГЕНОМНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ НАСЛЕДСТВЕННОГО МАТЕРИАЛА
- •3.6.1. Геном. Генотип. Кариотип
- •3.6.2.1. Самовоспроизведение и поддержание постоянства кариотипа в ряду поколений клеток
- •3.6.2.2. Механизмы поддержания постоянства кариотипа
- •3.6.2.3. Рекомбинация наследственного материала в генотипе. Комбинативная изменчивость
- •3.6.3. Особенности организации наследственного материала
- •3.6.4. Эволюция генома
- •3.6.4.1. Геном предполагаемого общего предка про- и эукариот
- •3.6.4.2. Эволюция прокариотического генома
- •3.6.4.3. Эволюция эукариотического генома
- •3.6.4.4. Подвижные генетические элементы
- •3.6.4.5. Роль горизонтального переноса генетического материала
- •3.6.5. Характеристика генотипа как сбалансированной по дозам системы взаимодействующих генов
- •3.6.5.2. Взаимодействия между генами в генотипе
- •3.6.6. Регуляция экспрессии генов на геномном уровне организации наследственного материала
- •3.6.6.1. Общие принципы генетического контроля экспрессии генов
- •3.6.6.3. Регуляция экспрессии генов у прокариот
- •3.6.6.4. Регуляция экспрессии генов у эукариот
- •3.6.7. Биологическое значение геномного уровня организации наследственного материала
- •КЛЕТОЧНЫЕ
- •4.2. КЛЕТОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТИ
- •4.2.1. Соматические мутации
- •4.2.2. Генеративные мутации
- •РАЗДЕЛ III
- •ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОГО
- •ГЛАВА 5
- •РАЗМНОЖЕНИЕ
- •5.1. СПОСОБЫ И ФОРМЫ РАЗМНОЖЕНИЯ
- •5.2. ПОЛОВОЕ РАЗМНОЖЕНИЕ
- •5.2.1. Чередование поколений
- •5.3. ПОЛОВЫЕ КЛЕТКИ
- •5.3.1. Гаметогенез
- •5.3.2. Мейоз
- •5.4. ЧЕРЕДОВАНИЕ ГАПЛОИДНОЙ
- •5.5. ПУТИ ПРИОБРЕТЕНИЯ ОРГАНИЗМАМИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
- •В ФОРМИРОВАНИИ ФЕНОТИПА
- •6.1.1. Модификационная изменчивость
- •6.1.2. Роль наследственных и средовых факторов
- •6.1.2.1. Доказательства генетического определения признаков пола
- •6.1.2.2. Доказательства роли факторов среды
- •6.2. РЕАЛИЗАЦИЯ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИНФОРМАЦИИ В ИНДИВИДУАЛЬНОМ РАЗВИТИИ. МУЛЬТИГЕННЫЕ СЕМЕЙСТВА
- •6.3.1.2. Одновременное наследование нескольких признаков. Независимое и сцепленное наследование
- •6.3.2. Закономерности наследования внеядерных генов. Цитоплазматическое наследование
- •6.4. РОЛЬ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ И СРЕДЫ
- •6.4.1. Наследственные болезни человека
- •6.4.1.1. Хромосомные болезни
- •6.4.1.4. Болезни с нетрадиционным типом наследования
- •6.4.3. Методы изучения генетики человека
- •6.4.3.1. Генеалогический метод
- •6.4.3.2. Близнецовый метод
- •6.4.3.4. Методы дерматоглифики и пальмоскопии
- •6.4.3.5. Методы генетики соматических клеток
- •6.4.3.6. Цитогенетичвский метод
- •6.4.3.7. Биохимический метод
- •6.4.3.8. Методы изучения ДНК в генетических исследованиях
- •6.4.4. Пренатальная диагностика наследственных заболеваний
- •6.4.5. Медико-генетическое консультирование
- •ГЛАВА 7
- •ПЕРИОДИЗАЦИЯ ОНТОГЕНЕЗА
- •7.1. ЭТАПЫ. ПЕРИОДЫ И СТАДИИ ОНТОГЕНЕЗА
- •7.2. ВИДОИЗМЕНЕНИЯ ПЕРИОДОВ ОНТОГЕНЕЗА, ИМЕЮЩИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ И ЭВОЛЮЦИОННОЕ ЗНАЧЕНИЕ
- •7.3. МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЯИЦ ХОРДОВЫХ
- •7.4. ОПЛОДОТВОРЕНИЕ И ПАРТЕНОГЕНЕЗ
- •7.5. ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ
- •7.5.1. Дробление
- •7.5.2. Гаструляция
- •7.5.3. Образование органов и тканей
- •7.5.4. Провизорные органы зародышей позвоночных
- •7.6. ЭМБРИОНАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ МЛЕКОПИТАЮЩИХ И ЧЕЛОВЕКА
- •7.6.1. Периодизация и раннее эмбриональное развитие
- •7.6.2. Примеры органогенезов человека, отражающих эволюцию вида
- •8.1. ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ
- •8.2. МЕХАНИЗМЫ ОНТОГЕНЕЗА
- •8.2.1. Деление клеток
- •8.2.2. Миграция клеток
- •8.2.3. Сортировка клеток
- •8.2.4. Гибель клеток
- •8.2.5. Дифференцировка клеток
- •8.2.6. Эмбриональная индукция
- •8.2.7. Генетический контроль развития
- •8.3. ЦЕЛОСТНОСТЬ ОНТОГЕНЕЗА
- •8.3.1. Детерминация
- •8.3.2. Эмбриональная регуляция
- •8.3.3. Морфогенез
- •8.3.4. Рост
- •8.3.5. Интегрированность онтогенеза
- •8.4. РЕГЕНЕРАЦИЯ
- •8.5.1. Изменение органов и систем органов в процессе старения
- •8.6.1. Генетика старения
- •8.6.2. Влияние на процесс старения условий жизни
- •8.6.3. Влияние на процесс старения образа жизни
- •8.6.4. Влияние на процесс старения эндоэкологической ситуации
- •8.8. ВВЕДЕНИЕ В БИОЛОГИЮ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ ЛЮДЕЙ
- •8.8.1. Статистический метод изучения закономерностей продолжительности жизни
- •8.8.2. Вклад социальной и биологической компонент в общую смертность в историческом времени и в разных популяциях
- •9.1. КРИТИЧЕСКИЕ ПЕРИОДЫ
- •9.3. ЗНАЧЕНИЕ НАРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ ОНТОГЕНЕЗА В ФОРМИРОВАНИИ ПОРОКОВ РАЗВИТИЯ
- •РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
определяются его химической организацией,
3.4.1. Химическая организация гена
Исследования, направленные на выяснение химической природы наследственного материала, неопровержимо доказали, что материальным субстратом наследственности и изменчивости являются нуклеиновые кислоты, которые были обнаружены Ф. Мишером (1868) в ядрах клеток гноя. Нуклеиновые кислоты являются макромолекулами, т.е. отличаются большой молекулярной массой. Это полимеры, состоящие из мономеров — нуклеотидов, включающих три компонента: сахар (пентозу), фосфат и азотистое основание (пурин или пиримидин). К первому атому углерода в молекуле пентозы С-1' присоединяется азотистое основание (аденин, гуанин, цитозин, тимин или урацил), а к пятому атому углерода С-5' с помощью эфирной связи — фосфат; у третьего атома углерода С-3' всегда имеется гидроксильная группа — ОН (рис. 3.1).
Соединение нуклеотидов в макромолекулу нуклеиновой кислоты происходит путем взаимодействия фосфата одного нуклеотида с гидроксилом другого так, что между ними устанавливается фосфодиэфирная связь (рис. 3.2). В результате образуется полинуклеотидная цепь. Остов цепи состоит из чередующихся молекул фосфата и сахара. К молекулам пентозы в положении С-1' присоединено одно из перечисленных выше азотистых оснований (рис. 3.3).
Рис. 3.1. Схема строения нуклеотида
Объяснение см. в тексте; обозначения компонентов нуклеотида, использованные в этом рисунке, сохраняются во всех последующих схемах нуклеиновых кислот
Сборка полинуклеотидной цепи осуществляется при участии фермента полимеразы, который обеспечивает присоединение фосфатной группы следующего нуклеотида к гидроксильной группе, стоящей в положении 3', предыдущего нуклеотида (рис. 3.3). Благодаря отмеченной специфике действия названного фермента наращивание полинуклеотидной цепи происходит только на одном конце:
66
там, где находится свободный гидроксил в положении 3'. Начало цепи всегда несет фосфатную группу в положении 5'. Это позволяет выделить в ней 5' и 3 '-концы.
Среди нуклеиновых кислот различают два вида соединений:
дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Изучение состава основных носителей наследственного материала — хромосом — обнаружило, что их наиболее химически устойчивым компонентом является ДНК, которая представляет собой субстрат наследственности и изменчивости.
Рис. 3.2. Схема соединения нуклеотидов в полинуклеотидную цепь
Рис. 3.3. Схема полинуклеотидной цепи (стрелкой указано направление роста цепи) Присоединение очередного нуклеотида сопровождается образованием эфирной связи между ОН-группой на 3'-конце полинуклеотидной цепи и фосфатом свободного нуклеотида, остальные пояснения см. в тексте
3.4.1.1. Структура ДНК. Модель Дж. Уотсона и Ф. Крика
ДНК состоит из нуклеотидов, в состав которых входят сахар — дезоксирибоза, фосфат и одно из азотистых оснований — пурин (аденин или гуанин) либо
67
пиримидин (тимин или цитозин).
Особенностью структурной организации ДНК является то, что ее молекулы включают две полинуклеотидные цепи, связанные между собой определенным образом. В соответствии с трехмерной моделью ДНК, предложенной в 1953 г. американским биофизиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком, эти цепи соединяются друг с другом водородными связями между их азотистыми основаниями по принципу комплементарности. Аденин одной цепи соединяется двумя водородными связями с тимином другой цепи, а между гуанином и цитозином разных цепей образуются три водородные связи. Такое соединение азотистых оснований обеспечивает прочную связь двух цепей и сохранение равного расстояния между ними на всем протяжении.
Рис. 3.4. Схема строения молекулы ДНК Стрелками обозначена антилараллельность целей
Другой важной особенностью объединения двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК является их антипараллельность: 5'-конец одной цепи соединяется с 3'-концом другой, и наоборот (рис. 3.4).
Данные рентгеноструктурного анализа показали, что молекула ДНК, состоящая из двух цепей, образует спираль, закрученную вокруг собственной оси. Диаметр спирали составляет 2 нм, длина шага — 3, 4 нм. В каждый виток входит 10 пар нуклеотидов.
Чаще всего двойные спирали являются правозакрученными — при движении вверх вдоль оси спирали цепи поворачиваются вправо. Большинство молекул ДНК в растворе находится в правозакрученной — В-форме (В-ДНК). Однако встречаются
68
также левозакрученные формы (Z-ДНК). Какое количество этой ДНК присутствует в клетках и каково ее биологическое значение, пока не установлено (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Пространственные модели левоэакрученной Z-формы (I)
и правозакрученной В-формы (II) ДНК
Таким образом, в структурной организации молекулы ДНК можно выделить
первичную структуру —полинуклеотидную цепь, вторичную структуру—две комплементарные друг другу и антипараллельные полинуклеотидные цепи, соединенные водородными связями, и третичную структуру — трехмерную спираль с приведенными выше пространственными характеристиками.
3.4.1.2.Способ записи генетической информации в молекуле ДНК. Биологический код
иего свойства
Первично все многообразие жизни обусловливается разнообразием белковых молекул, выполняющих в клетках различные биологические функции. Структура белков определяется набором и порядком расположения аминокислот в их пептидных цепях. Именно эта последовательность аминокислот в пептидах зашифрована в молекулах ДНК с помощью биологического (генетического) кода. Относительная примитивность структуры ДНК, представляющей чередование всего лишь четырех различных нуклеотидов, долгое время мешала исследователям рассматривать это соединение как материальный субстрат наследственности и
69
изменчивости, в котором должна быть зашифрована чрезвычайно разнообразная информация.
В 1954 г. Г. Гамовым было высказано предположение, что кодирование информации в молекулах ДНК должно осуществляться сочетаниями нескольких нуклеотидов. В многообразии белков, существующих в природе, было обнаружено около 20 различных аминокислот. Для шифровки такого их числа достаточное количество сочетаний нуклеотидов может обеспечить лишь триплетный код, в котором каждая аминокислота шифруется тремя стоящими рядом нуклеотидами. В этом случае из четырех нуклеотидов образуется 43 = 64 триплета. Код, состоящий из двух нуклеотидов, дал бы возможность зашифровать только 42 = 16 различных аминокислот.
Полная расшифовка генетического кода проведена в 60-х гг. нашего столетия. Из 64 возможных триплетов ДНК 61 кодирует различные аминокислоты; оставшиеся 3 получили название бессмысленных, или «нонсенс-триплетов». Они не шифруют аминокислот и выполняют функцию знаков препинания при считывании наследственной информации. К ним относятся АТТ, АЦТ, АТЦ.
Обращает на себя внимание явная избыточность кода, проявляющаяся в том, что многие аминокислоты шифруются несколькими триплетами (рис. 3.6). Это свойство триплетного кода, названное вырожденностью, имеет очень важное значение, так как возникновение в структуре молекулы ДНК изменений по типу замены одного нукле-отида в полинуклеотидной цепи может не изменить смысла триплета. Возникшее таким образом новое сочетание из трех нуклеотидов кодирует ту же самую аминокислоту.
В процессе изучения свойств генетического кода была обнаружена его специфичность. Каждый триплет способен кодировать только одну определенную аминокислоту. Интересным фактом является полное соответствие кода у различных видов живых организмов. Такая универсальность генетического кода свидетельствует о единстве происхождения всего многообразия живых форм на Земле в процессе биологической эволюции.
Незначительные отличия генетического кода обнаружены в ДНК митохондрий некоторых видов. Это не противоречит в целом положению об универсальности кода, но свидетельствует в пользу определенной дивергентности в его эволюции на ранних этапах существования жизни. Расшифровка кода в ДНК митохондрий различных видов показала, что во всех случаях в митохондриальных ДНК отмечается общая особенность: триплет АЦТ читается как АЦЦ, и поэтому из нонсенс-триплета превращается в шифр аминокислоты триптофана.
70
71